Bài giảng chuyên đề Kết cấu liên hợp thép bê tông

Quá trình nghiên cứu, ứng dụng kết cấu liên hợp Thép-bê tông cốt thép trên thế giới * Định nghĩa Kết cấu liên hợp thép - bêtông là kết cấu mà thép chịu lực có dạng tấm, thép hình, thép

CHUYÊN ĐỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP-BÊ TÔNG

TS Nguyễn Hồng Sơn

Bộ môn: Kết cấu Thép-Gỗ Tel: 0913514110

NỘI DUNG GỒM:

- Giới thiệu về kết cấu liên hợp thép - bê tông cốt thép

- Chương 1 Tổng quan về kết cấu liên hợp

- Chương 2 Vật liệu sử dụng cho kết cấu liên hợp

TÀI LIỆU THAM KHẢO

GIỚI THIỆU

VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊTÔNG

Citibank Duisburg (Duisburg - Germany)

Parking deck “DEZ” (Innsbruck - Austria)

Parking deck “DEZ” (Innsbruck - Austria)

Millennium Tower (Vienna - Austria)

Kết cấu liên hợp

Kết cấu liên hợp

Kết cấu liên hợp

Kết cấu liên hợp

Kết cấu liên hợp

Một số khái niệm

Các cấu kiện cơ bản

Liên kết ma sát

Liên kết cơ học

Liên kết neo ở đầu bản sàn

Cấu tạo neo

Thợ đang hàn neo

Dầm liên hợp

Một kiểu liên kết dầm cột

Một kiểu neo (một hàng neo)

Neo tại dầm (hai hàng neo)

Một kiểu neo

Tác dụng của neo

Thi công sàn

Thi công sàn

Thi công sàn

Giàn liên hợp

Dầm có lỗ khoét liên hợp

Kết cấu sàn liên hợp

DÇm khoÐt lç ë b¶n bông

DÇm khoÐt lç ë b¶n bông

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊTÔNG

I Quá trình nghiên cứu, ứng dụng kết cấu liên hợp

Thép-bê tông cốt thép trên thế giới

* Định nghĩa

Kết cấu liên hợp thép - bêtông là kết cấu mà thép chịu lực

có dạng tấm, thép hình, thép ống và kết cấu bê tông

* Dạng tiết diện

Nó có thể nằm ngoài bêtông (gọi là thép nhồi bêtông), hay nằm bên trong bêtông (gọi là kết cấu thép bọc bêtông) hoặc liên kết với nhau cùng làm việc

Một số kiểu iết diện cột

* Lịch sử phát triển của kết cấu liên hợp thép – bêtông

- Gắn liền với lịch sử phát triển kết cấu thép và kết cấu bêtông cốt thép

- Việc hình thành các dạng kết cấu liên hợp này bắt nguồn từ hai nguyên nhân

+ Nguyên nhân thứ nhất bắt đầu từ ý định thay thế các cốt thép tròn thành các dạng cốt thép khác gọi là cốt cứng, khi hàm lượng quá lớn hình thành nên kết cấu liên hợp

+ Nguyên nhân thứ hai bắt đầu từ ý tưởng muốn bao bọc kết cấu thép chịu lực bằng bêtông để chống xâm thực, chống cháy hoặc chịu lực

* Nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu liên hợp

- Nhiều hội nghị khoa học về kết cấu liên hợp thép bêtông

ở tầm cỡ quốc tế đã được tổ chức

- Dùng cho các lĩnh vực cầu đường, nhà cửa và các dạng công trình kỹ thuật khác đã và đang được rất nhiều quốc gia quan tâm

+ Năm 1894 lần đầu tiên kết cấu liên hợp thép-bêtông đã được dùng làm cầu Rock Rapids

+ Năm 1898 kỹ sư F.W.Pattenson đã thiết kế cầu gần Pitts Burgh, Pennsylvania do một kỹ sư người Viên tên là Joset Melan thiết kế

- Năm 1894 ở Pitts Burgh đã xây dựng một ngôi nhà mà các dầm sàn bằng thép bọc bêtông

- Ở Châu Âu việc dùng kết cấu liên hợp thép-bêtông lúc đầu cũng xuất phát từ mục đích dùng bêtông bọc kết cấu thép

để chống ăn mòn và chịu lửa

- Năm 1908 một số thí nghiệm về cột liên hợp bêtông đã được làm tại phòng thí nghiệm Trường đại học xây dựng Columbia

thép Năm 1922thép 1924 các thí nghiệm tương tự được giáo sư H.M.Mc Kay tiếp tục tiến hành ở trường đại học tổng hợp Mc Gill, Canađa

- Nhà cao tầng dùng kết cấu liên hợp tiêu biểu ở Mỹ cần phải thiết kế tới tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, tiểu bang Texas

- Tòa nhà Atlantic Centre Project ở Atlantic cao 275 feet (221 m) là một ví dụ tiêu biểu cho loại kết cấu này, ở đó hệ khung lõi cứng của nhà thi công theo phương pháp ván khuôn trượt

- Ở Mỹ, Năm 1944, lần đầu tiên mới được đưa vào tiêu chuẩn quốc gia AASHTO (Theo American Association of Highway and Transportation),

- Ở châu Âu rất quan tâm đến kết cấu liên hợp thép – bêtông là nước Đức, họ đã ban hành tiêu chuẩn quốc gia DIN

+ Eurocode 4: Kết cấu liên hợp thép – bêtông

- Ở Nga các nghiên cứu về kết cấu liên hợp thép – bêtông cũng được tiến hành từ lâu Năm 1936 dưới sự lãnh

đạo của viện sĩ G.P Pêrêdêri người Nga đã xây dựng xong chiếc cầu nhịp 110m qua song Nêva ở Xanh pêtecbua

- Ở Nhật Bản việc nghiên cứu kết cấu liên hợp thép – bêtông cũng được quan tâm rất sớm Kết cấu liên hợp thép – bêtông xuất hiện ở Nhật Bản từ năm 1910, được ứng dụng rộng rãi làm nhà cao tầng (từ 6 tầng trở lên)

* Nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp ở Việt Nam

- Ở Việt Nam lý thuyết tính toán cấu kiện liên hợp thép – bêtông (bêtông cốt cứng) đã được đưa vào giáo trình “Kết cấu bêtông cốt thép – phần cấu kiện cơ bản” xuất bản năm 1995,

dựa theo lý thuyết tính toán của người Nga và còn khá đơn giản

- Gần đây tại thành phố Hồ Chí Minh đã xây dựng tòa nhà Diamond Plaza (21 tầng), kết cấu khung thép bọc vật liệu chống cháy là xỉ lò cao

- Năm 2005 tại thành phố Hà Nội lần đầu tiên sử dụng sàn lien hợp để làm 500 m2 sàn nhà của công ty xuất nhập khẩu Hồng Hà, 109 đường Trường Chinh

II Một số ưu điểm, nhược điểm của kết cấu liên hợp thép - bêtông

1.1 Ưu điểm

1) Khả năng chống ăn mòn của thép được tăng cường 2) Khả năng chịu lửa tốt

3) Khả năng chịu lực của vật liệu tăng

4) Tăng độ cứng của kết cấu

5) Khả năng biến dạng lớn hơn kết cấu bêtông cốt thép, đó

là ưu điểm lớn khi chị tải trọng động đất

6) Có thể tạo kết cấu ứng lực trước trong khi thi công, tăng hiệu quả sử dụng vật liệu, nhất là vật liệu cường độ cao 7) Có thể dễ dàng dùng phương pháp thi công hiện đại làm tăng tốc độ thi công, sớm đưa công trình vào sử dụng

8) Kết cấu liên hợp thép – bêtông có thể đạt hiệu quả kinh

tế cao

1.2 Nhược điểm

1) Tuy nhiên với kết cấu liên hợp thép - bê tông đòi hỏi sự làm việc gắn kết giữa hai vật liệu bê tông và cốt thép Chính vì thế việc tính toán phức tạp hơn, đòi hỏi thời gian tính toán nhiều hơn Chi phí gia công và chế tạo các liên kết sẽ tăng

2) Khi chịu tải trọng động đất, kết cấu liên hợp nói chung

sẽ biến dạng lớn hơn kết cấu bê tông cốt thép thông thường

So sánh kích thước dầm liên hợp và

không liên hợp

So sánh kích thước cột và dầm liên hợp

- không liên hợp

So sánh trọng lượng thép và giá thành cho khung nhà

năm tầng một nhịp

lượng thép (%)

Tổng giá thành (%)

2 Khung liên hợp – đàn hồi 84.5 92.5

So sánh trọng lượng thép và giá thành

cho khung nhà sáu nhịp, ba tầng

lượng thép (%)

Tổng giá thành (%)

CHƯƠNG 2:

VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU THÉP LIÊN HỢP

I Bê tông

1.1 Quy định của Eurocode 2 và Eurocode 4

Trong kết cấu thép liên hợp dùng bêtông thông thường như trong kết cấu bêtông cốt thép Có thể dùng bêtông nặng hoặc bêtông nhẹ

a Các cường độ đặc trưng

Theo quy định của Eurocode 4 về kết cấu liên hợp thì dùng mác bêtông từ C20/25 đến C50/60

Các đặc trưng cơ học của bêtông (N/mm 2 )

fcm – Cường độ trung bình chịu nén của bêtông ở tuổi 28

cc(t) – hệ số phụ thuộc vào tuổi t của bêtông,

1/2 cc

28(t) exp s 1

t – Tuổi của bêtông tính theo ngày;

s – hệ số phụ thuộc vào loại xi măng sử dụng;

* Cường độ chịu kéo khi uốn

f max{(1,6 h / 1000)f ; f }

trong đó: h – chiều cao toàn bộ của cấu kiện, mm;

fctm – Cường độ trung bình khi kéo trực tiếp

* Cường độ chịu kéo của bêtông

b Cường độ tính toán của bêtông

* Cường độ tính toán chịu nén

c Môđul đàn hồi

0,3

E (t)(f (t) / f ) E

trong đó: Ecm – môđul đàn hồi ở tuổi 28 ngày;

Các ký hiệu khác như trên

d Sự co ngót của bêtông

Sự co ngót được xác định qua các hệ số như sau:

- Bằng 3 x 10-4 trong môi trường khô ở trong hoặc ngoài công trình (trừ các cấu kiện được nhồi bêtông);

- Bằng 2 x 10-4 trong môi trường khác và cho các cấu kiện được nhồi bêtông

e Hệ số giãn nở nhiệt

- Đối với bê tông thường  = 10-5 oC-1;

- Đối với bêtông nhẹ  = 0,7 x 10-5 oC-1

1.2 Về vật liệu bêtông đang sử dụng ở Việt Nam

Theo TCXD 356:2005 Kết cấu bêtông và bêtông cốt thép

- Tiêu chuẩn thiết kế

1.3 So sánh đặc trưng bêtông theo hai tiêu chuẩn

- Hai tiêu chuẩn dựa vào cường độ trung bình của mẫu,

- Kết cấu thép liên hợp, chỉ dùng bê tông mác 350 trở lên

Các đặc trưng cơ học, về cơ bản giống EC4 Khi thiết kế

có thể dùng giá trị giới hạn đàn hồi làm cơ sở để tính toán theo các công thức của EC4

2.2 Thép kết cấu

- Theo Eurocode 4 đưa ra cách tính toán các kết cấu liên hợp được sản xuất từ thép mác thông thường: S235, S275, S355

- Theo tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 5709:1993 dùng cho kết cấu xây dựng

Đối chiếu các loại thép trong hai tiêu chuẩn, theo quy định của EC4 Khi thiết kế có thể dùng mác thép tư XCT38 trở lên

2.3 Tôn định hình bằng thép của sàn liên hợp

Nói chung, tôn chiều dày từ 0,7mm đến 1,5mm, mỗi mặt đều được bảo vệ chống ăn mòn bởi lớp kẽm dày 0,02mm, có thể sơn bổ sung

CHƯƠNG 3:

SÀN LIÊN HỢP

I Yêu cầu cấu tạo

Sàn liên hợp gồm tấm tôn định hình và tấm đan bằng bê tông, tạo thành kết cấu liên hợp

* Tấm tôn dùng:

- Đóng vai trò sàn công tác (khi thi công);

- Đóng vai trò cốtpha (khi đổ bê tông)

- Đóng vai trò chịu lực (cốt thép lớp dưới của sàn)

Hình ảnh tấm tôn sàn

Cấu tạo các lớp sàn

Một số kiểu tôn sàn

* Cấu tạo:

- Chiều dày sàn liên hợp (dao động từ 10cm đến 40cm);

- Chiều dày tôn dùng 0,75mm đến 1,5mm;

- Giới hạn đàn hồi của tôn khoảng 300N/mm2;

- Chiều dày toàn bộ sàn liên hợp không nhỏ hơn 80mm, chiều dày riêng phần bê tông (hc) không nhỏ hơn 40mm;

Trường hợp, sàn làm việc liên hợp với dầm hoặc sử dụng như vách cứng thì: Chiều dày toàn bộ sàn liên hợp không nhỏ hơn 90mm, chiều dày riêng phần bê tông không nhỏ hơn 50mm

- Kích thước hạt cốt liệu nhỏ hơn (0,4hc, bo/3, 31,5mm)

Cách xác định bo

- Gối tựa của sàn liên hợp phải có bề rộng nhỏ nhất là 75mm (đối với gối cánh dầm thép hoặc bê tông), và tối thiểu 100mm (đối với loại gối ít gặp như gạch hoặc đá)

II Sự làm việc của sàn liên hợp

2.1 Một số định nghĩa

* Liên kết hoàn toàn, và không hoàn toàn:

- Liên kết hoàn toàn: liên kết bê tông với tấm tôn thép đảm bảo biến dạng dọc giữa tôn và phần bê tông tiếp xúc với tôn bằng nhau

- Liên kết không hoàn toàn: nếu tồn tại sự trượt giữa bê tông với tấm tôn thép theo bề mặt tiếp xúc

Sự làm việc của sàn liên hợp

* Để hạn chế sự trượt giữa hai vật liệu, cần:

- Liên kết cơ học bằng cách tạo biến dạng trước;

- Tôn có sườn đóng vai trò liên kết ma sát;

- Neo ở đầu sàn bằng chốt hàn hoặc loại liên kết cục bộ;

- Neo ở đầu sàn bằng cách làm biến dạng các sườn tôn

ở đầu của tấm tôn

* Dạng làm việc:

- Tương tác hoàn toàn: trượt tổng thể bằng không

- Tương tác bằng không: trượt tổng thể không bị ngăn cản;

- Tương tác không hoàn toàn: trượt tổng thể khác không nhưng có giới hạn

2.2 Các dạng phá hoại

- Phá hoại theo tiết diện I-I: Do mômen ở nhịp, xảy ra với những sàn có nhịp lớn;

- Phá hoại theo tiết diện II-II: Do trượt dọc theo chiều dài tiếp xúc thép-bêtông, xảy ra khi liên kết giữa bêtông và thép đạt tới khả năng chịu lực giới hạn;

- Phá hoại theo tiết diện III-III: Do lực cắt ở khu vực gần gối tựa, xảy ra với những sàn có nhịp nhỏ, bề dày lớn, chịu tải trọng sàn lớn

Dạng phá hoại sàn

I III

I

2.3 Tính toán sàn liên hợp

* Các giả thiết tính toán

- Sau khi uốn tiết diện vẫn phẳng, để có thể áp dụng các giả thiết của SBVL

- Không có sự trượt giữa bêtông và thép, các chốt liên kết vẫn còn nguyên khả năng chịu lực khi CK bị phá hoại (sàn không bị phá hoại theo tiết diện II-II)

- Biến dạng do uốn trên 1 mặt cắt ngang tỷ lệ với khoảng cách đến trục trung hoà

- Ở TTGH chịu lực, toàn bộ diện tích tiết diện của phần thép đều đạt đến giới hạn chảy Ứng suất trong phần bêtông ở vùng nén đạt đến cờng độ tính toán

- Bỏ qua khả năng chịu lực của phần bêtông chịu kéo

* Tải trọng tác dụng

Tải trọng tác dụng, gồm:

(a) Giai đoạn thi công;

(b) Giai đoạn sử dụng

a) Tải trọng ở giai đoạn thi công

- Trọng lượng bản thân tôn và vữa bêtông

- Hoạt tải thi công Gồm trọng lượng công nhân, trọng lượng thiết bị đổ bêtông có kể đến sự va chạm hoặc rung động khi thi công) Theo Eurocode 4, hoạt tải thi công lấy là 1,5 kN/m2 trong phạm vi diện tích bất kỳ 3x3 m ở vùng giữa bản sàn, phần diện tích còn lại lấy tải trọng là 0,75 kN/m2 Nếu diện tích bản sàn nhỏ hơn 3x3m thì lấy cho toàn bộ diện tích (hình 2.5)

- Trọng lượng của VL xếp tạm trên sàn

a) Để xác định mômen nhịp b) Để xác định mômen gối

Hình 2.5 Sơ đồ chất hoạt tải thi công

b) Tải trọng ở giai đoạn sử dụng

- Trọng lượng sàn (tôn, bêtông, cốt thép)

- Trọng lượng các CK không chịu lực (vữa lót, gạch lát )

1,5 kN/m2

* Tính toán

Cần kiểm tra các điều kiện:

(1) Kiểm tra khả năng chịu uốn (dạng phá hoại I)

(2) Kiểm tra khả năng chịu cắt theo phương ngang (Khả năng liên kết của tôn với bêtông), (dạng phá hoại II)

(3) Kiểm tra khả năng chịu cắt theo phương đứng (dạng phá hoại III)

(4) Kiểm tra võng

KIỂM TRA DẠNG PHÁ HOẠII(Khả năng chịu uốn))

- Chắc chắn giữa tôn với bêtông hoặc với sàn nhịp lớn (mômen dương lớn) Sự phá hoại xảy ra khi tôn bị chảy dẻo hoặc khi các thớ bêtông đạt đến giới hạn chịu nén dưới tác dụng của mômen uốn lớn nhất

- Để đơn giản hoá tính toán bỏ qua sự chịu lực của cốt thép lớp dưới (nếu có)

- Giả thiết rằng ở trạng thái giới hạn về chịu lực, ứng suất trong tôn và cốt thép đạt đến giới hạn đàn hồi, ứng suất trong bêtông đạt đến giới hạn chịu nén

* Một số ký hiệu áp dụng:

fyp - giới hạn đàn hồi của hép ôn (trị số iêu chuẩn);

fck - cường độ nén của bêtông (mẫu rụ, 28 ngày uổi);

fsk - giới hạn đàn hồi của cốt thép (trị số iêu chuẩn);

gap, gc, gs - các hệ số độ in cậy (xem QP)

* Xét 3 trường hợp sau:

(a) Trường hợp 1: Khả năng chịu lực của tiết diện trong vùng mômen dương (Trục TH nằm trong phần bêtông phía trên sườn tôn, phá hoại theo khả năng chịu lực của tôn)

(b) Trường hợp 2: Khả năng chịu lực của tiết diện trong vùng mômen dương (Trục TH nằm trong sườn tôn, phá hoại theo khả năng chịu lực của bêtông)

(c) Trường hợp 3: Khả năng chịu lực của tiết diện trong vùng chịu mômen âm

(a) Trường hợp 1

Khả năng chịu lực của tiết diện trong vùng mômen dương Trục trung hoà nằm trongg phần bêtông phía trên sườn tôn, phá hoại theo khả năng chịu lực của tôn

- Bỏ qua khả năng chịu kéo của bêtông

- Sơ đồ tính như hình 2.6

Hình 2.6 Sơ đồ ính sàn ở nhịp

(Trục TH nằm rong phần bêtông))

Điều kiện cân bằng hợp lực:

p yp c

ck ap

A fx

(b) Trường hợp 22

Khả năng chịu lực của tiết diện trong vùng mômen dương

- Trục TH nằm trong sườn tôn, phá hoại theo khả năng chịu lực của bêtông

- Trục TH nằm trong phần tôn thép, do đó có 1 phần tôn thép tham gia chịu nén cùng với bêtông (hình 2.7a)

- Bỏ qua khả năng chịu nén của phần bêtông nằm trong sóng tôn

- Để đơn giản hoá tính toán, quy đổi hợp lực của phần tôn thép chịu nén thành mômen Mp, còn hợp lực của phần tôn thép chịu kéo là Np (hình 2.7b)

Hình 2.7 Sơ đồ ính sàn ở nhịp

(Trục TH nằm rong phần ôn)

Hợp lực của vùng bêtông chịu nén:

Trị số của mômen phụ thêm Mp xác định từ quan hệ gần đúng

với mômen dẻo Mpa của toàn bộ tiết diện tôn, xác định bằng thực nghiệm:

N

fA

Trong đó: e ep - xem hình 2.7.

Từ đó xác định được mô men uốn giới hạn:

Điều kiện chịu lực kiểm ra heo công hức::

cf p

p

c

f A

N e

e e

h h z



) (

2

[M ]  N z M 

 max nh

M  M